真空凍結現象を利用したマイクロアイス製造技術の開発

• Project/Area Number: 17656078
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thermal engineering
• Research Institution: Toyama National College of Technology
• Principal Investigator: 河原 治 富山工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (30270242)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 白川 英観 富山工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (00295122) ; 小川 淑方 富山工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (60042818)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2006: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2005: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 真空凍結 / マイクロアイス / 減圧沸騰 / 気化熱 / 過冷却 / 飽和蒸気圧曲線 / 水の三重点 / 相変化

Research Abstract

本研究は真空凍結現象を利用したマイクロアイス製造技術の開発を目的とし,昨年度,水の真空凍結現象を観察し,相変化を伴う1次元の熱伝導プログラムを作成した.今年度は,真空中における気液界面での蒸発現象を解明するために,実験と数値解析を行い,次の結果を得た.
(1)真空中の液膜凝固現象観察実験
液膜の様子を観察し,水の液膜中の温度分布を測定するために,透明のアクリル円管容器に水を入れ,容器の側面より熱電対を挿入した.さらに,円管容器を片持ち梁により釣り下げ,蒸発中の質量変化を梁に貼り付けたひずみゲージにより測定した.
容器内を250〜600Paまで減圧すると水は蒸発し,気化熱によって水の表面領域で過冷却となり,膜内部では0℃以上となる温度分布になった.これは,1次元の熱伝導プログラムで計算した温度分布と傾向が同じであった.この蒸発中のひずみゲージによる質量測定では,水の質量が増加する結果となった.これは,気液界面での蒸発速度によって生じる動圧のためであると考えられる.何らかの外乱で表面の過冷却状態が解消されると,急速に液膜の表面領域が凍結し,0℃となった.その後,表面からの蒸発量は減少し,水の質量も実験開始前よりも軽くなっていた.以上のことから,マイクロアイスを製造するには,真空により0℃以下になった水の,過冷却状態を解消するために外乱が必要であることが分かった.
(2)水滴凝固現象観察実験
注射器によって,真空容器内に様々な径の水滴を噴霧し,水滴の様子を観察した.噴霧直後の容器内圧力は1000Pa程度まで急上昇した.径が小さい水滴は,すべての水が蒸発しなくなるか,残っても凍らなかった.一方,径が大きい水滴は,壁面に付着して凍結する結果になった.以上のことから,水の真空凍結現象には表面張力が大きく関与していることが分かった.